1前言

        随着我国国民经济的高速增长，PVC树脂的需求量也在迅猛增长。据2002年预测，未来8a内我国PVC的需求量将达到每年900-1000万t，成为全球最大的PVC消费国。这也成为目前许多国内PVC生产厂家正在或计划新、改、扩建大型PVC生产装置的主要原因。尤其是近2a，我国正在或计划建设的20万t以上的大中型PVC装置就有10余套，如山东、辽宁、江苏、河北、四川、云南、福建、内蒙、新疆等地区都有20-40万t/a的PVC装置的建设计划，甚至100万t/a的电石法PVC装置也正在筹划之中。到2010年，预计我国将新增PVC生产能力300万t/a以上。聚合釜是PVC生产装置中的关键设备，若按70m3聚合釜的生产强度计算，上述新增生产能力的PVC生产装置至少还需要70m3聚合釜150台。

        目前，国内外PVC树脂的生产方法主要有3种，即悬浮法、乳液法和本体法。其中悬浮法生产PVC产量所占比例最大，但近几年乳液法和本体法生产因其树脂的独到之处在国内外也有长足进展。各种生产方法对聚合釜的搅拌、传热均有不同的要求，锦西化工机械(集团)有限责任公司对各种生产方法的PVC聚合釜进行了多年的研究开发，形成了我国的PVC聚合釜系列，并已批量投产。

        2 国内外PVC聚合釜结构发展特点

        2.1 悬浮法PVC聚合釜的基本结构参数
        典型悬浮法PVC聚合釜的基本结构参数见表1。
        表1 典型悬浮法PVC聚合釜的基本结构参数
        项目 德许尔斯 美国西方化学 日本信越 中国塘沽
        容积/m3 200 135 127 108
        内径/mm 5000 4200 4200 4200
        筒节高/mm 8450 8510 7900 6210
        高径比 1.6 2.0 1.88 1.48
        搅拌器型式 一层三叶后掠浆 三层平浆 三层平浆 二层三叶子浆
        挡板及数量 4组平板 1组套管式 1组平板 6组排管式
        密封型式 机械密封 机械密封 机械密封 机械密封
        外冷器 有 有 有 有
        传动型式 下置 上置 上置 下置
        续表1
        项目 法国EVC 韩国LG 中国无锡 中国西安
        容积/m3 105 70 70 30
        内径/mm 4250 3300 3810 2600
        筒节高/mm 5940 7100 4828 5020
        高径比 1.4 2.15 1.27 1.9
        搅拌器型式 二层四叶平浆 三层平浆 二层三叶后掠浆 三层三叶后掠浆
        挡板及数量 2组平板 2组平板 4组套管式 4组套管式
        密封型式 机械密封 机械密封 机械密封 机械密封
        外冷器 有 有 无 无
        传动型式 下置 下置 下置 上置

        2.2聚合釜的结构发展特点

        2.2.1 大型化
        随着PVC生产装置规模的不断扩大，大型聚合釜已在国内外PVC装置中普遍采用。通常将30m3以下的釜称为小型釜，容积在70m3以上的釜称为大型釜。
        采用大型釜的好处是：(1)PVC树脂产品质量和均一性提高；(2)装置的占地面积减少；(3)装置建设投资降低；(4)装置生产管理费用和维修费用降低。
        因此，在国内外新建或扩建的单条生产线生产能力在5万t/a以上的PVC生产装置中，大多采用了70-200m3的聚合釜。

        2.2.2 高生产强度
        生产强度是指聚合釜每立方米容积每年的生产量。聚合釜生产强度取决于2个方面的因素，一是聚合釜设计的传热能力，二是化工工艺设计的聚合反应时间和生产辅助时间。
        提高聚合釜的传热能力通常采用最佳的搅拌与挡板组合、高传热系数的传热结构、适宜的冷却水流速和回流冷凝器等。
        缩短聚合生产周期通常的工艺措施有加冷热水技术；防黏釜技术；采用复合引发剂，降低热负荷分布指数；带压出料；采用部分冷冻水等。
        聚合釜的高传热能力与其适应的化工工艺措施相结合，保证了聚合釜的高生产强度。
        近几年，我国的一些树脂生产厂采取了许多工艺措施，使得在用的聚合釜生产强度大幅度提高，有的国产聚合釜生产强度已经超过了350t/(m3•a)，甚至可达到400t/(m3•a)以上，这一指标为目前国际的先进水平。

        2.2.3 使用的安全可靠性大大加强
        聚合釜大型化和生产强度强化以后，每釜投入单体量达数十t，乃至上百t，如果产品质量出现瑕疵或设备发生故障，将造成巨大的经济损失和严重的事故后果。所以对聚合釜的设计制造质量提出了更高的要求。
        在搅拌冷模试验技术放大的基础上，进行聚合釜搅拌器的选型和结构设计，对树脂质量和传热效果提供了可靠保证，聚合釜搅拌转速可调，更适应不同型号树脂的生产。
        聚合釜的安全泄放装置采用安全阀与爆破膜的组合结构，解决了单一安全阀易堵、失灵的弊病。
        聚合釜的轴封多采用带集油盘的双端面机械密封，国内配套的机械密封使用寿命有的已经达到了16000h，泄漏量指标降到5mL/h以下。
        聚合釜运行过程的全程自控和完善的连锁系统更保证了聚合釜长期稳定的运行。、

        3 国产PVC聚合釜技术进展
        3.1 简要回顾
        锦西化工机械(集团)公司是国内搅拌设备的主要专业生产厂，早在20世纪60年代为我国始建的6000t/a PVC生产装置配套了13.5m3聚合釜。70年代末期，又自行开发了30m3 PVC聚合釜，在国内5万t/a的PVC生产装置中使用，后经几次技术改进，已在国内改扩建的数十个PVC生产装置中采用。到20世纪90年代，又研制成功了48m3和70m3 PVC聚合釜，并对乳液聚合和本体聚合的PVC聚合釜进行了设计研制。
        3.2 国产70m3聚合釜的基本特性与结构特点
        3.2.1 基本特性
        国产70m3聚合釜技术特性见表2。
        表2 国产70m3聚合釜技术特性表
        项目 釜体 夹套
        全容积/m3 70.2
        物料名称 VC，H2O，等 H2O
        设计压力/MPa 2.06 0.74
        设计温度/℃ 93 88
        主体材料 16MnR+SUS304 16MnR/10/Q235-A
        容器类别 Ⅲ
        传热方式 半管夹套+内冷管
        传热面积/m3 夹套70，内冷管19
        设备净重/kg 51660
        电机功率/kW 160
        搅拌转数/r•m-1 98
        搅拌转向 顺时针(向下看)
        搅拌器型式 三叶后掠
        轴封型式 双端面机械密封
        机封冷却方式 平衡液罐或密封油站
        单釜年生产能力/万t 2.0-2.5

        3.2.2 结构特点
        (1)采用二层三叶后掠式搅拌器。该搅拌器的设计是经过搅拌冷模试验，运用搅拌放大技术进行的优化设计，从而保证了最佳的树脂产品质量(颗粒型态与粒径分布)和最低的能量消耗。
        搅拌器曾在引进的70m3釜上更替使用，并进行了产品质量和功率的对比测试，取得了安全一致的效果。搅拌桨叶的断面形状为空心长圆形，经试验测定较矩形断面的桨叶可降低功率消耗10%左右。
        (2)良好的传热结构和传热能力为聚合釜可以达到高的生产强度提供了可靠的保证。
        70m3釜的主要传热通道有3部分：
        a.釜体夹套采用螺旋半管式夹套，较带螺旋导流板的筒式夹套传热系数可提高20%以上；
        b.内冷挡板为4组套管式可拆卸内冷管，较直管式内冷管的传热系数可提高18%以上；
        c.聚合过程中，从釜底机封上部连续加注无离子冷却水，也可平衡聚合体系的热量。
        (3)搅拌传动系统置于釜体下部，采用底伸式搅拌轴，运行平稳，检修方便。
        (4)轴封采用双端面机械密封，机封上部在釜内物料和上密封面之间设有连续注水通道，有效地隔离物料与密封面的接触，保证机封长期可靠运行。
        本釜机械密封平衡液(密封油)的供给和冷却采取了2种方式，一种是氮气加压的平衡液罐，另一种是配套密封油站，用户可以根据自己的操作习惯任选。
        (5)釜体内表面采用复合电解研磨抛光，表面粗糙度Ra<0.1μm，釜上还配有喷淋涂釜装置，所以该釜的防黏釜问题已经得到很好的解决。

        3.3 国内大型釜设计、制造的技术关键问题已经解决
        3.3.1 聚合釜搅拌特性测试及放大技术
        锦化机配备有从美国TSI公司引进的三维激光测速仪，采用自行开发的流场脉动速度处理软件和GRAFTOOL软件，运用计算机对旋转流场三维速度的向量和矢量直接进行处理和表述，通过搅拌试验和放大技术实现了对大型聚合釜搅拌器的优化设计。
        锦化机与浙大进行了多年合作，对PVC聚合釜的搅拌选型与搅拌特性进行了研究，确定了放大技术与准则，成功地进行了30m3和80m3聚合釜的技术放大。
        3.3.2 提高聚合釜的传热能力
        聚合釜的传热能力是制约其生产能力的关键之一，为了使聚合釜具有较高的传热能力，在大型釜的设计中采取了以下4项措施。
        (1)改变釜体夹套结构，采用高传热系数的半管夹套；
        (2)增大内冷管的传热面积，采用高传热系数的内冷管结构；
        (3)采用釜顶冷凝器；
        (4)采用在聚合全过程向釜内注水的新工艺。

        以上这些措施已在国内大中型PVC聚合釜中实施，经传热测定，证实聚合釜的传热能力明显提高，加之采用高效复合引发剂，并改进操作方式(如加热脱盐水技术、密闭加料、带压出料等)，国产聚合釜的生产强度已经接近国际先进水平。

        3.3.3 釜体内壁抛光与防黏壁技术
        锦化机现已组建了抛光车间，设有多套简体封头内表面复合电解研磨装置，大面积不锈钢表面抛光粗糙度可达到Ra0.1μm，抛光技术已获中国发明专利。
        国内已基本解决PVC聚合釜的黏壁问题，从聚合釜的设计角度考虑，一是采用电解研磨抛光，提高釜体内表面的光洁度；二是配备釜顶喷淋涂釜装置，使用有效的防黏釜剂。国内一些PVC生产装置已达到了不开盖连续生产百釜以上的水平。
        3.3.4 大轴径釜用机械密封
        近几年，国内机械密封的设计、制造水平提高很快，并有多家外商在国内合资建厂，如四川密封技术研究所和大连博格曼有限公司，为许多国内或引进的大型聚合釜配套了大轴径双端面机械密封，经多年使用考验，密封性能和使用寿命都可以满足生产要求。
        3.3.5 聚合釜的配套件
        锦化机已研制成功DN300的大口径弹簧式安全阀，用于70m3 PVC聚合釜。
        聚合釜上的其他配套件，如喷淋阀、柱塞式放料阀、高压水力清釜装置以及大功率渐开线齿轮减速机、大功率防爆电机等国内均可生产，质量和使用性能与国外产品相当。
        3.3.6 大型聚合釜的运输问题
        直径超过Φ3400mm的大型设备一般采用公路汽车运输或海上运输。
        锦化机曾用汽车运送直径Φ5000mm、容积为200m3搅拌设备至大庆石化；用汽车运送直径Φ4600mm、容积为70m3和90m3搅拌釜至北京、无锡、四川和新疆等；海运重250t的锻烧炉至天津港。大型釜的运输已不成问题。
        3.4 国内大型PVC聚合釜开发的进展
        在PVC生产中，工艺技术水平和聚合釜技术水平对树脂生产获取经济效益影响甚大。聚合工艺技术进步推动了聚合釜的技术发展，聚合釜技术水平的提高又保证了先进工艺得以实现。
        近几年，国内一些树脂生产企业，如北京化二、锦化化工等，通过对引进技术的消化吸收和技术创新，已经形成了我国自己的大型PVC装置生产成套技术。与之相匹配的70m3大型PVC聚合釜也由锦化机研制成功，通过了专家鉴定，并投入批量生产。
        目前，锦化机与齐鲁石化合作，在科学试验的基础上正在联合开发135m3聚合釜及其生产应用成套技术。该项目的预期目标是单釜年生产能力达到6万t以上。
        锦化机还与天津大沽化合作，联合开发110m3PVC聚合釜及其生产应用的成套技术，该釜的预期目标是单釜年生产能力达到4万t以上。
        4 国产PVC聚合釜的应用
        国产聚合釜在国内PVC生产装置中已广泛应用，对我国PVC工业的发展发挥重要作用。据初步统计，到2002年，国内PVC生产装置中聚合釜的总容量大约为13000m3，其中国产釜合计容量约11500m3，占总量的78%。30m3聚合釜曾一度成为我国PVC生产装置的主体釜型，随着生产装置规模的不断扩大，国产70m3釜成为新扩建PVC装置的首选。至2003年底，已有20余台70m3釜在国内PVC生产装置中投入使用，并有70余台正在制造中。